杨树根际与各部位组织微生物组成多样性 | 文章解读

‍Item：Structuralvariability and niche differentiation in the rhizosphere and endospherebacterial microbiome of field-grown poplar trees

Journal：Microbiome，2017

IF：8.496

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1.研究背景

植物中的微生物群体是植物健康和生产力的关键决定因素之一，他们具有利用低丰度营养物，抑制植物病原体以及抵抗生物或非生物胁迫因子等多种功能。而对不同植物微环境中特别是地下和地上部分中微生物之间的结构组成的有力的了解仍然不够了解。本研究讨论了不同生态植物生态位的细菌群落的微生物群落分化和结构稳定性的假设。

2.研究方法

样本选取：选择体外繁殖的克隆杨树（Populustremula × Populus alba），收集15棵的根际土壤和根系组织样本，11棵树的茎、叶样本，样本类型包括根际土壤，根，茎和叶。根际土壤被严格定义为粘附在根部的土壤颗粒。对于茎叶样品，收集了11棵杨树个体直接连接到中央树干的分支。为了标准化和最大化茎样品的再现性，将几个具有树皮的小茎“核”（5-7芯，每个1厘米）从基部到分支顶部的每个分支收集，以表示茎隔室。对于叶子样品，收集来自采样分枝的所有叶子以表示叶室。

实验方法：16S rRNA 967F-1391R，测序平台为Roche454测序仪

3.研究结果

（1）OTUs差异Venn图分析

通过16S rRNA 测序分析杨树根、茎、叶和根际土样本微生物组成，不同样本类型中OTUs差异Venn图（图1）分析，表明4组不同样品既有共有OTUs，也有特有OTUs。但根际土中特有的OTUs比例更高，表明其微生物具有更高的多样性。

图1 各组样本Venn图分析

（2）α多样性分析

从已有数据中去除singletonOTUs，这些OTU为假阳性的概率很大。基于OTU丰度，计算Simpson多样性指数和Pielou均匀度（图2）分析每个样本中的微生物多样性。为了控制差异，在计算多样性指数之前，将每个样本稀少到2000个序列。OTU丰富度高度依次为根际土壤，根系样本和茎样。叶片样品的OTU丰度指数与茎样品相当。对于多样性和均匀度估计，发现杨树各部位组织内生菌多样性远低于根际土微生物多样性（图2,3），但内生菌样品个体间富含的菌群差异程度却要显著高于根际土（图3）。 

图2 各个组织样本的稀释曲线

图3 各组样品α多样性分析结果

（3） β多样性分析

基于Bray-Curtis距离，进行了β多样性分析。从PCA结果可以看出，杨树茎、叶中所含微生物显著区别于根部样本和根际土样本，而根部样本与根际土样本中的菌群组成也显著不同。尽管茎、叶内生菌组成相似（相似度在40-60%之间），但也并非完全重合（图4a）。聚类分析也支持了这一结果（图4b）。 

图4  基于OTU水平的PCA分析和聚类分析

（4）物种注释分析

从门水平样品物种组成柱状图中不难看出，变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门均是各组样品中的优势菌群，但在各组中所占比例各有不同，且存在相对丰度的组间差异。根际土中放线菌门的相对丰度要显著高于其他三组，β变形菌、拟杆菌门的相对丰度显著高于茎、叶样品。但茎叶样品中γ变形菌的相对丰度要显著高于根部样品和根际土样品（图5）。

图5 各样品门水平物种组成柱状图

(5）物种分类树

根据分析得到的OTU物种丰度表，将植物各个生态位中丰度最高的前10种微生物定义为coremicrobiome，并进行分类树状图的构建（图6）。其中，根际土中top10优势物种分别是放线菌目、伯克氏菌目、节细菌、Chitinophagaceae、芽孢杆菌目、微小病毒等；根部样品中丰度最高的物种依次是根瘤菌、贪嗜菌、新鞘脂菌和Niastella等。TM7在茎叶组织中显著富集，而根瘤菌在茎叶组织中却显著降低。并且相比于根际土壤和根系样本，假单胞菌、甲基杆菌和鞘氨醇单胞菌在茎叶组织中富集。在叶片样本中还发现Moraxellaceae，Aurantimonas和Sphingomonadales的显著富集。

图6 与植物生态位有关的优势菌群

（6）物种指示分析

为了进一步确定哪些OTU对杨树不同生态位之间的群落分化负责，我们使用物种指标分析来发现OTU和植物不同生态位之间的显着关联。在所有OTU上进行指标分析，不仅是核心OTU，以发现核心OTU分析可能漏掉的影响。物种指标分析显示根际土壤中有94个指标OTU，根内皮中有18个，茎内部有5个，而在叶片内皮样本中有9个。然而，当筛选平均相对丰度>1％的OTU，发现根际土壤（节细杆菌，硝螺菌，Norcardioides，Hyphomicrobiaceae，分枝杆菌和Microvirga的6个指标OTU），根系样本中的2个（Novosphingobium和Niastella），茎样品中的2个（Alcaligenaceae和Amnibacterium）和2个叶样品（Sphingomonadales和Aurantimonas）。

表1 指示物种分析 

4.研究结论

本研究证明野生生长杨树（P.tremula x P. alba）中根际微生物的结构变异性远低于其他部位微生物群。根际细菌群落的形成似乎是一个更加稳定和可控的过程，而内生根，茎和叶是变化较大的。此外，我们的数据不仅证实了根际土壤的微生物群落分类，而且还清楚地显示了茎和叶中的微生物群落的微调和适应。每个植物生态位代表细菌群落的独特组成，包括对特定宿主基因型效应（克隆，基因修饰基因型等）的分析的未来研究可以更好地了解细菌群落对宿主植物特定变化的可塑性或反应性。最后，我们确定了与杨树不同生态位相关的核心细菌微生物群。这可以为更多详细（隔离）研究确定的丰富的OTU提供依据，并进一步了解杨树的复杂宿主-微生物相互作用。

5.研究亮点

（1）从独特的研究视角出法，关注植物内生菌的组成变化；

（2）比较植物各个部位不同微生物组成，证实植物内生菌多样性较低。

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